BÁO cáo CHUYÊN đề hệ THỐNG NĂNG LƯỢNG đề tài mô PHỎNG TUABINE GIÓ THỰC tế

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG ĐỀ TÀI: MÔ PHỎNG TUABINE GIÓ THỰC TẾ Giáo viên: Phạm Thị Thùy Linh Lớp: CLC.D13CNTKDK DƯƠNG ĐỨC MẠNH NGUYỄN MẠNH HUY NGUYỄN THỤ TUẤN LINH MSV: 18810000016 MSV: 18810990001 MSV: 18810000017 HÀ NỘI - 2021 MỤC LỤC CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Sơ lược lịch sử phát triển 1.2 Giới thiệu turbin gió 1.3 Đặc điểm chung máy phát điện chạy sức gió 1.4 Những lợi ích sử dụng gió để sản xuất điện ( điện gió ) 1.5 Đối tượng, phạm vi mục tiêu nghiên cứu đề tài CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG TURBIN GIÓ 11 2.1 Yêu cầu: 11 2.2 Tính bán kính cánh quạt rotor 11 2.3 Profile cánh 12 2.4 Chiều dài dây cung cánh 13 2.5 Góc đặt cánh 16 2.6 Tính cơng suất tuabine 18 CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH TÍNH TOÁN THIẾT KẾ KẾT CÁC BỘ PHẬN CƠ BẢN CỦA TUABINE 20 3.1 Hộp số 20 3.2 Tháp 21 3.3 Tính tốn lựa chọn máy phát điện 22 3.4 Tính tốn số lượng bình acquy lưu trữ điện 23 3.5 Lựa chọn điều khiển nạp sạc 24 3.6 Kết luận 25 CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB 26 4.1 Lí chọn matlab 26 4.2 Mơ tuabin gió 28 CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Sơ lược lịch sử phát triển Cối xay gió sử dụng Ba Tư (Iran ngày nay) vào đầu năm 200 TCN Bánh xe gió Heron Alexandria đánh dấu trường hợp biết đến máy chạy sức gió lịch sử Tuy nhiên, việc cối xay gió biết đến thực tế xây dựng Sistan, vùng nằm Afghanistan Iran, từ kỷ thứ Những thân cối xay gió trục dọc, có cánh hình chữ nhật Hình1.1 Mơ hình cánh gió Trung Mỹ Các tài liệu hệ thống để phát điện sức gió lập vào năm 1887 người Scotland tên James Blyth, để tạo lượng chiếu sáng cho nhà kỳ nghỉ Ơng xây dựng trục thẳng đứng chắn với 10 mét chiều cao cánh quạt Dane Poul La Cour đến xung quanh bật kỷ nghiên cứu có hệ thống - số thứ khác, thiết kế khí động học hầm gió airfoils khái niệm tốc độ cánh quạt mà cánh quạt đủ để khai thác lượng gió tồn diện tích cánh quạt Năm 1920, Albert Bates nguyên tắc vật lý mà cịn sử dụng ngày hơm để tận dụng lợi lượng gió tối ưu: giảm tốc độ lưu lượng dòng chảy để phần ba tốc độ gió, đồng diện tích cánh quạt, thực bề ngồi giảm chiều sâu cánh quạt Các thăng hàng khơng cải thiện dạng hình năm 50 60, cho phép lướt tỷ lệ 50 nhanh chóng chạy với lưỡi cánh quạt Cánh quạt với hai coi lạc hậu Theo kế hoạch Đức turbine với hai GROWIAN dự án lớn lên đưa xuống để đưa khái niệm Đan Mạch hệ thống mạnh mẽ quyền lực trung nhiều Nó có số lượng lớn Hoa Kỳ xuất hệ thống không đồng bộ, hai tốc độ cố định ba cánh quạt cứng Kể từ đó, Đan Mạch nước có tỷ trọng lớn hệ lượng gió Hình1.1 Mơ hình quạt gió hành 1.2 Giới thiệu turbin gió Turbine gió máy dùng để biến đổi động gió thành Máy lượng dùng trực tiếp trường hợp cối xay sức gió, hay biến đổi tiếp thành điện trường hợp máy phát điện sức gió Máy phát điện sức gió bao gồm vài thành phần khác Nhưng thành phần quan trọng motor điện chiều; loại dùng nam châm bền cánh đón lấy gió Cịn lại phận khác như: lái gió, trục cột để dựng máy phát, phận đổi dịng điện để hợp với bình ắc qui cuối máy đổi điện (inverter) để chuyển điện từ ắc quy thành điện xoay chiều thông dụng Máy phát điện turbine gió thường sử dụng máy phát loại xoay chiều có nhiều cặp cực kết cấu đơn giản phù hợp đặc điểm tốc độ thấp turbine gió Hinh 1.3 Turbin gió Các máy phát điện sử dụng lượng gió thường xây dựng gần điện sản xuất hịa vào mạng điện chung sau biến đổi để có nguồn điện phù hợp Việc sử dụng ăc quy để lưu giữ nguồn điện phát sử dụng cho máy phát điện đơn lẻ cung cấp cho hộ tiêu thụ nhỏ (gia đình) Việc lưu điện vào ắc quy sau chuyển đổi lại thường cho hiệu suất thấp chi phí cao cho lưu điện nhiên có ưu điểm ổn định đầu Ngồi cịn có cách lưu trữ lượng gió khác Người ta dùng cánh quạt gió truyền động trực tiếp vào máy nén khí Năng lượng gió tích trữ hệ thống nhiều bình khí nén Khí nén bình sau bung để xoay động vận hành máy phát điện Q trình nạp khí xả khí ln phiên bình, bình xả bình khác nạp cánh quạt gió Điện ổn định liên tục Hiện có kiểu turbine phổ biến,đó loại trục ngang loại trục đứng Trục ngang loại truyền thống hình trên, cịn trục đứng loại công nghệ mới, quay ổn định với chiều gió a) Turbin gió trục ngang Hình 1.4 Turbin gió trục ngang Đây loại turbine gió phổ biến thị trường - Công suất phát điện từ vài trăm W đến vài MW Dài vận tốc gió hoạt động từ m/s – 25 m/s Chiều cao cột chống 6m (loại công suất nhỏ), 120m (loại công suất lớn) Số cánh quạt – cánh Bán kính cánh quạt từ 3m – 45m Số vịng quay cánh quạt 20 – 40 vòng/phút Một số đặc điểm turbine gió trục ngang: - Là loại turbine gió có hiệu suất cao Thích hợp với nhiều vận tốc gió khác Hình dạng kích thước lớn nên địi hỏi số an tồn cao Tuy có hệ thống điều chỉnh hướng để đón gió xong giới hạn góc quay định nên thích hipwj cho nơi có vận tốc gió ổn định b) Turbin gió trục đứng Hình 1.5 Turbine gió trục đứng Cấu tạo đặc điểm turbine gió trục đứng: - Dải vận tốc gió hoạt động – 40 m/s Chiều cao turbine 30m Số cánh quạt – cánh Bán kính cánh quạt 10m Dải vận tốc gió hoạt động rộng Turbine hoạt động không phụ thuộc hướng vận tốc dịng khí nên lắp đạt vị trí có vận tốc gió cao với dịng chảy khơng ổn định Tuy nhiên hiệu suất turbine 50% so với turbine trục ngang hoạt động vận tốc gió 1.3 Đặc điểm chung máy phát điện chạy sức gió Tới đa số máy phát điện tuabine gió trục ngang, gồm máy phát điện có trục quay nằm ngang, với rotor (phần quay) giữa, liên hệ với tuabine cánh đón gió.Máy phát điện đặt tháp cao hình cơn.Trạm phát điện kiểu mang dáng dấp cối xay gió châu Âu từ kỷ trước, nhã đại Các máy phát điện tuabine gió trục đứng gồm máy phát điện có trục quay thẳng đứng, rotor nằm ngồi nối với cánh đón gió đặt thẳng đứng Loại hoạt động bình đẳng với hướng gió nên hiệu qủa cao hơn, lại có cấu tạo đơn giản, phận có kích thước khơng q lớn nên vận chuyển lắp ráp dễ dàng, độ bền cao, tu bảo dưỡng đơn giản Loại xuất từ vài năm gần đƣợc nhiều nơi quan tâm sử dụng Hiện có loại máy phát điện dùng sức gió với cơng suất khác nhau, từ kW tới hàng chục ngàn kW.Các trạm phát điện hoạt động độc lập nối với mạng điện quốc gia.Các trạm độc lập cần có nạp, ắc – quy đổi điện Khi dùng khơng hết, điện đƣợc tích trữ vào ắc – quy Khi khơng có gió sử dụng điện phát từ ắc-quy.Các trạm nối với mạng điện quốc gia khơng cần nạp ắc-quy Các trạm phát điện dùng sức gió phát điện tốc độ gió từ m/s (11 km/h), tự ngừng phát điện tốc độ gió vượt 25 m/s (90 km/h) Tốc độ gió hiệu qủa từ 10 m/s tới 17 m/s, tùy theo loại máy phát điện 1.4 Những lợi ích sử dụng gió để sản xuất điện ( điện gió ) Ưu điểm dễ thấy điện gió khơng tiêu tốn nhiên liệu, tận dụng nguồn lượng vơ tận gió, khơng gây nhiễm mơi trường nhà máy nhiệt điện, không làm thay đổi môi trường sinh thái nhà máy thủy điện, khơng có nguy gây ảnh hưởng lâu dài đến sống người dân xung quanh Trước đây, cơng nghệ phong điện cịn ứng dụng, việc xây dựng trạm điện gió tốn kém, chi phí cho thiết bị xây lắp đắt nên áp dụng số trường hợp thật cần thiết Ngày điện gió trở nên phổ biến, thiết bị sản xuất hàng loạt, cơng nghệ lắp ráp hồn thiện phí cho việc hồn thành trạm điện gió ¼ so với năm 1986 Các trạm điện gió đặt địa điểm vị trí khác nhau, với giải pháp linh hoạt phong phú: - Các trạm điện gió đặt ven biển cho sản lượng cao trạm nội địa bờ biển thường có gió mạnh Giải pháp tiết kiệm đất xây dựng, đồng thời việc vận chuyển cấu kiện lớn biển thuận lợi - Những mỏm núi, đồi hoang không sử dụng cho công nghiệp, nông nghiệp đặt trạm phong điện Trường hợp không cần làm trụ đỡ cao, tiết kiệm đáng kể chi phí xây dựng - Trên mái nhà cao tầng đặt trạm điện gió, dùng cho nhu cầu nhà cung cấp điện cho thành phố không dùng hết điện Trạm điện có ý nghĩa thiết thực thành phố bất ngờ bị điện - Ngay khu chế xuất đặt trạm điện gió Nếu tận dụng khơng gian phía nhà xưởng để đặt trạm điện gió giảm tới mức thấp diện tích đất xây dựng chi phí làm đường dây điện - Đặt trạm điện gió bên cạnh trạm bơm thủy lợi xa lưới điện quốc gia tránh việc xây dựng đường dây tải điện với chi phí lớn gấp nhiều lần chi phí xây dựng trạm điện gió Việc bảo quản trạm điện gió đơn giản việc bảo vệ đường dây tải điện nhiều - Một trạm điện gió kW đủ điện cho trạm kiểm lâm rừng sâu hải đăng xa đất liền Một trạm 10 kW đủ cho đồn biên phòng núi cao, đơn vị hải quân nơi đảo xa Tuy nhiên nơi đặt trạm điện gió có hiệu Để có sản lượng điện cao cần tìm đến nơi có nhiều gió.Các vùng đất nhơ biển thung lũng sông thường nơi có lượng gió lớn.Một vách núi cao vật cản gió lại tạo nguồn gió mạnh thường xuyên, có lợi cho việc khai thác điện gió Khi chọn địa điểm đặt trạm dựa vào số liệu thống kê quan khí tượng kinh nghiệm nhân đân địa phương, sơ Lượng gió nơi cịn thay đổi theo địa hình cụ thể thời gian Tại nơi dự định dựng trạm điện gió cần đặt thiết bị đo gió ghi lại tổng lượng gió hàng năm, từ tính sản lượng điện khai thác, tuơng ứng với thiết bị điện gió Việc quan trọng xây dựng trạm cơng suất lớn vùng điện gió tập trung 1.5 Đối tượng, phạm vi mục tiêu nghiên cứu đề tài Đối tượng nghiên cứu: Turbin sử dụng lượng gió Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu thiết kế turbin gió trục sử dụng để phát điện Mục tiêu nghiên cứu: Đáp ứng nhu cầu sử dụng điện cho hộ gia đình Phương hướng tiếp cận: Nghiên cứu lý thuyết điều tuabine gió từ sách nguồn tài liệu internet Nắm ứng dụng tuabine gió để thiết kế chế tạo tuabine gió cơng suất nhỏ Nghiên cứu trình làm việc tuabine gió.Trên sở xây dựng yêu cầu cần thiết để thiết kế tuabine gió hồn chỉnh Hay: Vế phải biểu thức phụ thuộc vào hệ số dòng a, a՜ Để hiệu suất cánh max a, a՜ phải thỏa mãn: Do biểu thức trở thành: Với số cánh quạt tubin gió N=3, λ = 𝐶1 = Ta xây dựng 𝐶 𝑟 𝑅 𝑅 biến thiên theo ( tỷ số bán kính 𝑥 = bảng sau mổi khoảng 150cm ) ta chia thành 10 phần theo Hình 2.2 Cánh tuabine gió Bảng 2.2 Kết tính tốn dây cung cánh 2.5 Góc đặt cánh Hình 2.3 Góc đặt cánh Biến đổi biểu thức: Sử dụng biểu thức hệ số lực nâng: 𝐶1 = 7,162 𝑎 + 0,3 Có góc cánh theo bảng sau: Bảng 2.3 Kết tính góc Để tính góc đặt cánh 𝛽 ta định góc tới ∅ dịng khí theo cơng thức: →𝛽 = ∅−𝑎 Bảng 2.4 Kết tính tốn 2.6 Tính cơng suất tuabine Hầu hết nhà sản xuất Mỹ phân loại tuabine họ lượng điện mà tuabine sản xuất an tồn tốc độ gió cụ thể, thường khoảng 10m/giây 16m/giây Công thức để tính cơng suất tuabin gió là: Cơng suất gió tạo tính theo cơng thức: Trong đó: CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH TÍNH TỐN THIẾT KẾ KẾT CÁC BỘ PHẬN CƠ BẢN CỦA TUABINE 3.1 Hộp số Chức hộp số đẩy mạnh tốc độ quay cánh quạt giá trị phù hợp với máy phát điện cảm ứng tiêu chuẩn, đó, Tốc độ cánh quạt tuabine gió điển hình 30 đến 50 vịng / phút đó, tốc độ tối ưu máy phát điện vào khoảng 1000 to 1500 vịng/phút Do đó, truyền động thiết bị ứng dụng đường dây truyền tải để thao tác với tốc độ theo yêu cầu máy phát điện hộp số lắp ráp vào tua bin gió từ 100kw trở lên, tốc độ quay phù hợp với tốc độ máy phát Hình 3.1 Sắp xếp thiết bị tuabine gió Với tuabine gió cở vài kw người ta đấu trực tiếp vào máy phát điện, không qua hộp số Do với tuabine gió có cơng suất nhỏ nên cánh nhẹ nên tốc độ quay lớn gần tốc độ quay máy phát Hình 3.2 Đường cong cơng suất tuabine gió điển hình 3.2 Tháp Tháp hỗ trợ cánh quạt vỏ bọc động tuabine gió độ cao mong muốn.Các loại tòa tháp sử dụng tua – bin đại tháp khung dàn, tháp ống tháp dây nối đất Hình 3.3 Các loại tháp tuabine gió Ở em chọn tháp hình ống, hầu hết tua bin gió cỡ lớn sử dụng cột thép hình ống sản xuất khoảng từ 20 – 30 mét với mặt bích đầu nối lại với điểm Những cột tháp hình nón (với đường kính chúng tăng theo hướng chân đế) để tăng độ mạnh chúng để tiết kiệm nguyên liệu 3.3 Tính tốn lựa chọn máy phát điện Các thơng số để tính tốn thiết kế máy phát − Cơng suất tuabine gió 500W; − Tốc độ quay 0-200 vịng/phút Máy phát điện thành phần quan trọng thiếu tuabine gió, có nhiệm vụ chuyển đổi tuabine thành điện Trong hệ thống phát điện, việc thiết kế chọn máy phát điện phải phù hợp với loại tuabine 45 lựa chọn Các tuabine thiết kế với việc ưu tiên cho phương pháp điều khiển mong muốn điều kiện gió vùng quy hoạch Các máy phát điện không sử dụng để biến đổi lượng mà dùng để điều khiển điện áp thông qua tốc độ quay tuabine Tuabine nối trực tiếp với rotor máy phát thông qua trục truyền động, tức trực tiếp điều khiển máy phát Loại máy phát có tốc độ quay chậm so với loại máy phát thơng thường Do thiết kế với số lượng điện cực nhiều để đạt cảm ứng từ tốt hiệu cao Việc điều khiển trực tiếp giúp loại bỏ tổn thất, bảo dưỡng chi phí liên quan đến hộp số Một số nghiên cứu cho thấy hộp số nguyên nhân dẫn đến hầu hết hư hỏng tuabine gió Hơn nữa, điều khiển trực tiếp làm giảm liên kết xoắn trục truyền động tần số dao động riêng Do trục nhỏ so với trường hợp sử dụng hộp số, với H-rotor điều có nghĩa tháp đỡ giảm khối lượng Chọn máy phát điện xoay chiều, kích từ nam châm vỉnh cửu Các thông số -Số nam châm vỉnh cửu 24 − Số cuộn dây − Số vịng quay: n= 250vịng/phút; − Cơng suất tối đa 1000W − khối lượng nặng 36kg − Tần số: f = 50Hz; − Số pha: m=3; − Kích từ nam châm vỉnh cửu Hình 3.4 Máy phát điện 3.4 Tính tốn số lượng bình acquy lưu trữ điện Để lưu trữ điện từ tuabine gió phát ta dùng nhiều bình ắc quy khơ nối tiếp dùng để dự trử nguồn điện chiều Mổi tuabin gió khơng hoạt động hay hoạt động yếu, hệ thống cung cấp điện cho phận chuyển đổi điện chiều (DC) điện xoay chiều (AC) Bình ắc quy thường dùng loại ắc quy khơ dể bảo qn, bảo trì, an tồn giá trị bình nhiều ắc quy nước AH = (T * W)/(V * pf) T - Tổng Công suất tiêu thụ hệ thống (W) − Hiệu điện mạch nạp bình ắc quy (V) − Dung lượng bình ắc quy (AH) − Thời gian cần có điện hệ thống (T) − Hệ số suất kích điện (pf): thường 0,7 0,8 Để tính tổng dung lượng ắc quy (AH) xác định trước thời gian sử dụng hệ thống T, tổng công suất Inverter W, điện nạp V, pf = 0.7 0.8 tuỳ vào loại Inverter Một gia đình điện sử dụng bóng đèn compact 20W + quạt điện 60W.Khi ta có tổng cơng suất tiêu thụ 80W − T=8 thời gian cần có điện hệ thống − pf=0,7 hệ số suất kích điện − hiệu điện 12 V AH = 9.80 = 100Ah 12.0,7 − Để đảm bảo công suất đầu ổn định kích điện tiêu chuẩn thường có điện áp đầu vào phải 24V DC đối công suất từ 800W trở lên Điện áp 12V nên sử dụng với công suất nhỏ từ 600W trở xuống − Với dung lượng ăc quy 100Ah ta chọn bình ăc quy loại ăc quy 12v/100Ah Thông số kỹ thuật ắc quy khô 100Ah Điện : 12 (V) − Dung lượng 100Ah − Trọng lượng 32kg − Bình ắc quy khơ kín Hình 3.5 acquy 100Ah 3.5 Lựa chọn điều khiển nạp sạc Bộ điều khiển nạp sạc thiết bị trung gian tubine hệ bình ắc quy lưu trữ Nhiệm vụ "điều khiển" việc sạc bình ắc quy từ nguồn điện sinh từ pin mặt trời.Nó làm nhiệm vụ bảo vệ ắc quy nạp đầy ngắt nguồn điện khơng cho điện áo vào Trên thị trường có nhiều loại nạp sạc cho ăc quy Hitech Power 12V 100Ah có đặc tính sau a Sạc cho loại bình ắc quy: từ 10A – 100Ah b Điện áp vào: từ 90 – 265 VAC c Điện áp ra: 12VDC d Tần số : 50Hz e Sạc đầy tự ngắt f Bình ắc quy yếu tự sạc g Sạc bảo vệ h Bảo vệ chống đấu ngược cực i Ổn định dòng sạc j Ổn định điện áp sạc Hình 3.6 Bộ điều khiển nạp sạc acquy 3.6 Kết luận Qua nghiên cứu tính tốn thiết kế cánh tuabine gió em thấy tuabine gió lượng thực tế, phát triển tương lai gần Do thời gian khả em có hạn nên việc tính tốn thiết kế có sai sót Hơn lần em tiếp xúc nên cịn gặp nhiều khó khăn bỡ ngỡ CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB 4.1 Lí chọn matlab MATLAB mơi trường tính tốn số lập trình, thiết kế cơng ty MathWorks MATLAB cho phép tính tốn số với ma trận, vẽ đồ thị hàm số hay biểu đồ thơng tin, thực thuật tốn, tạo giao diện người dùng liên kết với chương trình máy tính viết nhiều ngơn ngữ lập trình khác MATLAB giúp đơn giản hóa việc giải tốn tính tốn kĩ thuật so với ngơn ngữ lập trình truyền thống C, C++, Fortran MATLAB ngơn ngữ bậc cao, tích hợp khả tính tốn, hình ảnh hóa, lập trình mơi trường dễ sử dụng, vấn đề giải pháp trình bày lời thích tốn học Thường MATLAB dùng cho: • • • • • Tốn điện tốn Phát triển thuật tốn Dựng mơ hình, giả lập, tạo ngun mẫu Phân tích, khám phám hình ảnh hóa liệu Đồ họa khoa học kỹ thuật Trong mơi trường đào tạo, cơng cụ hướng dẫn chuẩn mực cho khóa học dẫn nhập chuyên sâu toán học, kỹ thuật khoa học Vì thuận tiện matlab đem lại ngành tự động hóa phổ biến môi trường đại học nên em sử dụng matlab để làm mơ tuabin gió Hình 4.1 Sơ đồ kết nối 4.2 Mơ tuabin gió Hình 4.2 Hệ thống mơ Hình 4.3 Kết thơng số ... cứu lý thuyết điều tuabine gió từ sách nguồn tài liệu internet Nắm ứng dụng tuabine gió để thiết kế chế tạo tuabine gió cơng suất nhỏ Nghiên cứu q trình làm việc tuabine gió. Trên sở xây dựng... điểm ổn định đầu Ngồi cịn có cách lưu trữ lượng gió khác Người ta dùng cánh quạt gió truyền động trực tiếp vào máy nén khí Năng lượng gió tích trữ hệ thống nhiều bình khí nén Khí nén bình sau... Mạch hệ thống mạnh mẽ quyền lực trung nhiều Nó có số lượng lớn Hoa Kỳ xuất hệ thống không đồng bộ, hai tốc độ cố định ba cánh quạt cứng Kể từ đó, Đan Mạch nước có tỷ trọng lớn hệ lượng gió Hình1.1